單片開關電源的發(fā)展及其應用

摘 要： 目前中、小功率開關電源正朝著單片集成化的方向發(fā)展。本文詳細闡述近年來問世的各種單片開關電源的性能特點及典型應用。

關鍵詞： 單片開關電源 脈寬調制 待機電源 可編程狀態(tài)控制器

單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優(yōu)點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發(fā)中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構成的開關電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好條件。

１ 集成開關電源的發(fā)展簡況

開關電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現已成為穩(wěn)壓電源的主流產品。近20多年來，集成開關電源沿著下述兩個方向不斷發(fā)展。第一個方向是對開關電源的核心單元——控制電路實現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來，國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM（脈沖頻率調制）芯片，典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中，小功率開關電源實現單片集成化。這大致分兩個階段：80年代初意－法半導體有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列單片開關式穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，使用時需配工頻變壓器與電網隔離，適于制作低壓輸出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A～10A）、高效率（可超過90%）的開關電源。但從本質上講，它仍屬DC/DC電源變換器。

1994年，美國動力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源，被人們譽為“頂級開關電源”。其第一代產品為TOPSwitch系列，第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關電源TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關電源，亦稱高壓功率開關調節(jié)器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，單片開關電源已形成四大系列、近70種型號的產品。

２ TOPSwitch-11系列三端單片開關電源

根據封裝形式，TOPSwitch－II可劃分成三種類型：TOP221Y~227Y（TO-220封裝）， TOP221P~224P（DIP-8封裝），TOP221G~224G（SMD-8封裝），產品分類詳見表１。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。

2.1 TOPSwitch-11的性能特點

(1) TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管（MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷／自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路，使器件功耗顯著降低。

(2) 只有三個引出端：控制端C、源極S、漏極D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能，C、D均屬多功能引出端，實現了一腳多用。以控制端為例，它具有三項功能：①該端電壓VC為片內并聯調整器和門驅動級提供偏壓；②該端電流IC能調節(jié)占空比；③該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。

　(3) 輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電，若配85~265V寬范圍變化的交流電，最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。

(4) 開關頻率典型值為100KHz，占空比調節(jié)范圍是1.7%～67%。電源效率為80%左右，最高可達90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0～70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。

 (5) TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調節(jié)占空比D，達到穩(wěn)壓目的。舉例說明，當由于某種原因致使開關電源的輸出電壓VOT時，經過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓，使Vo保持不變。反之亦然。

(6) 外圍電路簡單，成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產生的電磁干擾。

2.2 典型應用

TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域，并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外，它還適合構成后備式開關電源，非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源，供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節(jié)器、功率因數補償器等。

2.3 電路設計要求

 (1)TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計精密開關電源時，還應增加一片TL431型可調式精密關聯穩(wěn)壓器，由它構成外部誤差放大器，來代替取樣電路中的穩(wěn)壓管。精密開關電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右，接近于線性集成穩(wěn)壓電源的指標。

 (2)應選用電流傳輸比（CTR）能線性變化的光電耦合器，如PC817A，NEC2501、6N137等型號，不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差，傳輸模擬信號時會造成失真，影響開關電源的穩(wěn)壓性能。

 (3)高頻變壓器的初級必須設置保護電路，用以吸收漏感引起的尖峰電壓，確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯在初級上，具體有4種設計方案：①由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復二極管（SRD）組成鉗位電路；②由TVS與硅整流管（VD）構成的鉗位電路；③由阻容元件與SRD構成的吸收電路；④由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳，能充分發(fā)揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點。方案②次之。

 (4)使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝，可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。

 (5)為抑制從電網引入的干擾，也防止開關電源產生的干擾向外部傳輸，需在電源進線端增加一級電磁干擾濾波器（EMI filter）亦稱電源噪聲濾波器（PNF）。

 (6)使用此類芯片時，源極引線要盡量短。為使空載或輕載時輸出電壓穩(wěn)定，應在穩(wěn)壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載，亦可并聯一只穩(wěn)壓管。

３ TinySwitch系列四端開關電源

TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關電源。因所構成開關電源的體積很小，故稱TinySwitch微型開關系列。它比三端單片開關電源增加一個使能端，使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優(yōu)價廉，外圍電路非常簡單，特別適合制作10W以下的微型開關電源或待機電源，是取代效率低、體積較大的小功率線性穩(wěn)壓電源的理想產品。

3.1TinySwitch的性能特點

 (1)TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號。產品分類見表2。盡管采用8腳封裝，實際上只有四個腳：S、D、BP（相當于控制端）、EN（使能端），因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關斷MOSFET，并且在快速上電時輸出電壓無過沖現象、掉電時MOSFET也無頻率倍增現象。

 (2)高效、小功率輸出。選220V交流電源時，其空載功耗低于60mW。它適宜制作0～10Ｗ的小功率、低成本開關電源，比線性穩(wěn)壓電源大約可節(jié)電38%。

 (3)采用開／關控制器來代替PWM對輸出電壓進行調節(jié)。開／關控制器可等效為脈沖頻率調制器（PFM），其調節(jié)速度比普通的PWM更快，對紋波抑制能力更強。

 (4)與TOPSwitch-II相比，它在電路設計上頗具特色。第一，交流輸入端可省掉EMI濾波器；第二，初級保護電路不需使用TVS，僅用RC電路即可吸收尖峰電壓；第三，不用反饋線圈及相關電路，也不加回路補償元件；第四，芯片內部增加了使能檢測與邏輯電路。

3.2TinySwitch的應用

該系列產品適合制作手機電池恒壓恒流充電器、IC卡付費電度表中的小型開關電源模塊，以及微機、彩電、攝錄像機等高檔家用電器中的待機電源。例如，目前生產的大屏幕彩電均具有待機功能，使用遙控器關閉電源之后，即進入待機狀態(tài)。此時彩電中開關電源的功率開關管呈關斷狀態(tài)，改由待機電路繼續(xù)給CPU供電，使整機功耗降至最低。由TNY253P可構成5V、1.3W的彩電待機電源。它利用彩電主電源產生的直流高壓作輸入電壓，的允許范圍是120～375V（視彩電型號而定），而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構成PC機的5V、2A待機電源。由TNY254P構成的+6.7V、3.6W手機電池恒壓、恒流充電器，能在85～265V交流輸入電壓范圍內，對6V鎳氫（NIMH）電池充電。此外，TinySwitch還適合制作小型家電（如隨身聽）的適配器（adapter），將220V交流電源變成所需直流穩(wěn)壓電源。這種適配器不僅沒有笨重的變壓器，而且效率高、體積小、穩(wěn)壓性能好，能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。

4 MC33370系列五端單片開關電源

MC33370系列包括MC33369～MC33374五種規(guī)格、17種型號。以TO-220五腳直彎式封裝為例，其產品分類見表3。表中的RDS（ON）表示漏－源極導通電阻，ID（PK）代表漏極峰值電流。

4.1 MC33370的性能特點

 (1)它比TOPSwitch-II增加了電源端（Vcc）和狀態(tài)控制器的輸入端（State Control input）；芯片內部增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和可編程狀態(tài)控制器。其性價比要優(yōu)于TOPSwitch-II，而外圍電路更趨簡單。

 (2)利用可編程狀態(tài)控制器及外部模式選擇電路，能實現多種控制方式（包括手動控制、由微控制器MCU操作、數字電路控制、禁止操作等），實現工作狀態(tài)與備用狀態(tài)的互相切換。

 (3)內部集成了一只被稱為“敏感場效應管（Sense FET）”的電流傳感式功率開關管，用它能無功率損耗地實時檢測漏極電流ID的大小，進行過流保護。

 (4)當交流電源為固定值或變化率不超過±20%時，允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關的高頻濾波電路。這有助于進一步簡化外圍電路，降低開關電源的成本。為滿足特殊應用的需要，還可給開關電源增加軟啟動功能。

(5)電源效率高。由它構成開關電源或電源模塊的效率可達80%以上。在備用狀態(tài)下靜態(tài)功耗低至幾十至幾百毫瓦。

 (6)占空比調節(jié)范圍更寬，可達0.1～74%。脈寬調制增益的典型值為-14%／mA。芯片的工作結溫是-40～150℃，過熱保護溫度定為157℃（TOPSwitch-II僅為135℃）。

4.2 MC33370的應用

MC33370系列可廣泛用于辦公自動化設備、儀器儀表、無線通信設備及消費類電子產品中，構成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應用時，還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復二極管、濾波電容，改用穩(wěn)壓管或雙極型晶體管、MOS管來進行串聯調整。此外，利用這種芯片還能制作高壓步進電源。

參考文獻

１ Power．Supplemental Data Book and Design Guide,1998

２Motorola公司產品手冊，1999

３ 沙占友，新型特種集成電源及其應用。北京：人民郵電出版社，1998.3

４ 沙占友等，新編實用數字化測量技術。北京：國防工業(yè)出版社，1998.1

（收稿日期：1999-11-15）